具有一阶纯滞后环节设计

目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器（单片机）5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会一、 设计任务及方案1.1 设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)温度控制系统和给定的系统性能指标(工程要求相角裕度为30～60，幅值裕度>6dB);要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃；2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图；3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图；4、用MA TLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证； 对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1),考虑θ=0或T/2两种情况。

C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912。

5、进行可靠性和抗干扰性的分析。

1.2 设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。

整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。

以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。

图1 方案总体框图二、方案各模块分析2.1 被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rang(1), 考虑θ=0或T/2两种情况C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510θ=0或0.0255所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1051.07.117+s2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路2.2.1 测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。

作为测温敏感元件的电阻材料，要求电阻与温度呈一定的函数关系，温度系数大，电阻率大，热容量小。

在整个测温范围内应具有稳定的化学物理性质，而且电阻与温度之间关系复现性要好。

常有的热电阻材料有铂、铜、镍。

成型仪表是铠装热电阻。

铠装热电阻是将温度检测原件、绝缘材料、导线三者封焊在一根金属管内，因此它的外径可以做得较小，具有良好的机械性能，不怕振动。

同时具有响应时间快、时间常数小的优点。

铠装热电阻除感温元件外其他部分都可制缆状结构，可任意弯曲，适应各种复杂结构场合中的温度测量。

热电阻在化工生产中应有最广泛。

它的优点：测量精度高；再现性好，又保持多年稳定性、精确度；响应时间快；与热电偶相比不需要冷端补偿。

缺点是：价格比热电偶贵；需外接电源；热惯性大；避免使用在有机械振动的场合。

热电阻具体选型本系统选择了PT100，温度传感器PT100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200℃ 至 650℃ 的范围。

本系统要求测量的范围是-50℃～200℃，所以足够满足测量要求。

PT100参数介绍： Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下： 1) 测量范围：-200℃～+850℃； 2) 允许偏差值△℃：A 级±（0.15＋0.002│t│）， B 级±（0.30＋0.005│t│）； 3) 最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm ； 4) 允通电流 ≤ 5mA 。

另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

铂热电阻的线性较好，在0~100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。

2.2.2 测量电路及前置放大电路由于PT100温度传感器输出是mV级别，所以需要经前置放大电路后输入A/D转换器。

图2 传感器电路R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。

从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。

电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。

放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图2所示，前一级约为10 倍，后一级约为3 倍。

温度在0~100 度变化，当温度上升时，Pt100 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av 对应升高。

注意：虽然电桥部分已经经过TL431 稳压，但是整个模块的电压VCC 一定要稳定，否则随着VCC 的波动，运放LM358 的工作电压波动，输出电压Av随之波动，最后导致A/D 转换的结果波动，测量结果上下跳变。

2.3 A/D转换器系统要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃。

所以选取250/2048=0.122℃，A/D转换器12位才能满足设计要求。

现选取12位A/D转换器AD574，主要性能如下：1）分辨率：12 位2）非线性误差：小于±1/2LBS 或±1LBS3）转换速率：25us4）模拟电压输入范围：0—10V 和0—20V，0—±5V 和0—±10V 两档四种5）电源电压：±15V 和5V6）数据输出格式：12 位/8 位7）芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式图3 A/D转换器部分电路2.4 控制器（单片机）本系统采用AT89S52足够满足系统需要，不必外接RAM、ROM及端口扩展。

主要性能:1)与MCS-51单片机产品兼容2)28K字节在系统可编程Flash存储器3)1000次擦写周期4)全静态操作：0Hz～33Hz5)三级加密程序存储器6)32个可编程I/O口线7)三个16位定时器/计数器8)八个中断源9)全双工UART串行通道10)低功耗空闲和掉电模式11)掉电后中断可唤醒12)看门狗定时器13)双数据指针14)掉电标识符图4 单片机控制器功能特性描述:AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。

使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2.5 光隔驱动器（PWM控制）单片机通过算法运算，得出控制信号，通过程序转换成脉宽可调的脉冲信号，然后经过DAC去驱动光隔驱动器，改变脉冲信号的脉宽则可达到控制电热丝导通时间的目的，从而按需要改变温度。

光隔驱动的作用在于使主电路与二次回路(控制回路)绝缘，保护控制电路。

图5 光隔驱动2.6 整机电路图图6 整机电路图三、数字控制器D(Z)的设计3.1 控制器D(Z)的设计由题有G(s)=1051.07.1170255.0+-se s 或1051.07.117+s1）当θ=0时，由MATLAB 经M 文件编译n1=[117.7];d1=[0.05 1];g1=tf(n1,d1); [np,dp]=pade(1,2);gp=tf(np,dp);g0=g1*gp;bode(g0);margin(g0)由图可知系统幅值裕度太大，相角裕度>90deg ，不符合设计要求。

由G(s)得：G （z ）=Z[0()()h G s G s ]= 1117.7[](0.051)z Z z s s -+= 1146.25610.607z z --- 又H(z)= 1Z -， D(z)=()()[1()]H z G z H z -=()110.02210.6071z z ---- 由MA TLAB 经SIMULINK 仿真得：所得BODE 图为：由图分析得系统相角裕度γ=60︒，幅值裕度Lg=6.06dB，故D(Z)满足设计要求。

无需在添加比例调节器。

2）当θ=T/2时，由MATLAB经M文件编译n1=[117.7];d1=[0.05 1];g1=tf(n1,d1);tau=0.025;[np,dp]=pade(tau,2);gp=tf(np,dp);g0=g1*gp;bode(g0);margin(g0)得出G(s)系统波特图由图可知系统幅值裕度太大，相角裕度>90deg ，不符合设计要求。

而纯滞后θ=T/2，所以控制器的设计选用达林算法。

算法如下：系统广义对象111)1(011)]()([)(-+---==zKz s G s G Z z G L h σσ数字控制器])1(1)[1()1)(1()()1(1111+---------=L z z K z z D σσσσσ期望闭环传递函数1)(+=-s e s H sτθ（τ为期望闭环系统的时间常数）其中：lT =θ（T 为采样周期T=（1/2~1/10）Tm ，T=0.025 ）,τσ/T e -=，1/1τσT e -=，一般地，τ＝（1/2~1/3）1τ,可以兼顾系统性能和响应的快速性。

代入计算得本系统的参数值：T ＝0.025， 1τ＝0.05 K=117.7θ＝0.025， L=θ/T=1 τ＝1/2×1τ＝0.025368.0/==-τσT e 607.01/1==-τσT e所以求得：控制器111)1(11)(-+---=Z KZZ G L σσ= 2146.25610.607z z ---])1(1)[1()1)(1()()1(1111+---------=L Z Z k Z Z D σσσσσ＝11210.6070.013710.3680.632z z z ------ 如图所示为系统D(z)的simulink 仿真图：所得波特图如下：如图所示当在加上Kc=0.017，系统相角裕度γ=60︒，幅值裕度Lg=6.3dB，故D(Z)满足设计要求。